煤礦用膜分離制氮裝置自動(dòng)控制研究

陳為達(dá)

（中煤科工集團(tuán)沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122）

煤礦火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)嚴(yán)重威脅礦井生產(chǎn)安全和礦工人身安全，是制約我國煤炭行業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展的主要災(zāi)害之一。煤層一旦起火燃燒，將直接燒毀原有的煤炭資源和煤礦設(shè)備，給煤礦企業(yè)造成重大的經(jīng)濟(jì)損失，火災(zāi)還可能引起瓦斯、煤塵等危險(xiǎn)物爆炸，釀成嚴(yán)重的人員傷亡惡性事故。煤礦火災(zāi)具有很強(qiáng)的自燃、陰燃和復(fù)燃特性，并存在火源隱蔽位置難確定、熱量難消除及滅火危險(xiǎn)性大等防控難題，因此，對火災(zāi)起火風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域通常采取覆蓋式防火措施。注氮防滅火作為煤礦井下起火風(fēng)險(xiǎn)區(qū)覆蓋式惰化保護(hù)的一種方式，是世界各主要產(chǎn)煤國家公認(rèn)的行之有效的防滅火措施。在我國注氮?dú)夥罍缁鸱绞绞墙?jīng)《煤礦安全規(guī)程》認(rèn)證的高效的礦井防滅火措施，并且在該規(guī)程（2016 版）第271 條對注氮?dú)鉂舛茸隽嗣鞔_規(guī)定，指明注入的氮?dú)鉂舛炔坏眯∮?7%。制氮裝置自動(dòng)控制的實(shí)現(xiàn)是裝置平穩(wěn)運(yùn)行保障客戶煤礦井下安全生產(chǎn)的客觀需求。

1 自動(dòng)控制總體解決方案

膜分離制氮裝置包括供氣氣源、氮?dú)夥蛛x膜、凈化過濾裝置、空氣加熱裝置等各部分。其中，提供氣源的空氣壓縮機(jī)為獨(dú)立車體，其余各部分構(gòu)成制氮綜合車體，此兩車體之間以高壓金屬波紋管相連，組成一套完整的膜制氮設(shè)備。控制系統(tǒng)以保證制氮裝置整機(jī)穩(wěn)定高效的運(yùn)行為目的，需要實(shí)現(xiàn)以下控制與監(jiān)測功能。

（1）利用MODBUS-RTU 通訊協(xié)議，通過RS485 串口通信實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)的聯(lián)動(dòng)控制，使空壓機(jī)啟、停和加、卸載過程全部自動(dòng)進(jìn)行，避免因人員誤操作對空壓機(jī)的損害。同時(shí)，對空壓機(jī)的排氣壓力及排氣溫度實(shí)時(shí)讀取，用于判定空壓機(jī)的供氣狀態(tài)。

（2）實(shí)時(shí)讀取壓縮空氣的入膜溫度，且具備超溫報(bào)警功能。入膜氣體溫度是決定膜組制氮效率的關(guān)鍵因素之一，溫度過低會(huì)導(dǎo)致分離膜低效運(yùn)轉(zhuǎn)，而溫度過高則會(huì)損壞膜材料，降低膜組的使用壽命，因此，對入膜氣體溫度實(shí)時(shí)監(jiān)控，可以作為換熱器氣量調(diào)節(jié)的依據(jù)，使氣體溫度維持在膜組最佳工作溫度。

（3）實(shí)時(shí)監(jiān)測制氮純度。實(shí)現(xiàn)當(dāng)?shù)獨(dú)饧兌取?7%時(shí)，正常注氮；當(dāng)?shù)獨(dú)饧兌龋?7%時(shí)，不合格氣體排空。

（4）實(shí)時(shí)監(jiān)測氮?dú)獾乃矔r(shí)流量及顯示累計(jì)注氮流量。氮?dú)饬髁渴球?yàn)證膜制氮設(shè)備是否為合格產(chǎn)品的最重要指標(biāo)，對制氮流量的準(zhǔn)確測量尤為重要。

（5）實(shí)時(shí)監(jiān)測注氮壓力值。制取的氮?dú)獗仨毦邆湟欢ǖ膲毫Σ拍軡M足長距離運(yùn)輸?shù)囊?，一般礦井要求注氮壓力≥1.0MPa。

（6）過濾裝置能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定時(shí)排污功能。凈化過濾裝置攔截的油污等雜質(zhì)可以自動(dòng)定時(shí)排出。

（7）設(shè)備運(yùn)行的各參數(shù)，包括空壓機(jī)的排氣壓力、排氣溫度，以及入膜溫度、制氮壓力、氮?dú)饧兌?、氮?dú)獾乃矔r(shí)流量和累計(jì)流量等集中于人機(jī)界面屏顯示。

通過以上分析可知，設(shè)備實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制需要監(jiān)測的模擬量有4 個(gè)，分別是入膜溫度、制氮壓力、氮?dú)饬髁恳约暗獨(dú)饧兌?；輸入?shù)字量至少3 個(gè)，分別為空壓機(jī)聯(lián)動(dòng)控制、合格氣體監(jiān)測以及PLC 通電指示；輸出數(shù)字量至少2 個(gè)，對應(yīng)自動(dòng)排污和注氮管路切換；另外，還需要有與空壓機(jī)和人機(jī)界面屏通信的RS485串口。

2 自動(dòng)控制的控制流程

從總體解決方案的控制邏輯出發(fā)明確自動(dòng)控制的控制流程如圖1，在設(shè)備送電后，首先要執(zhí)行一次預(yù)防性的過濾裝置排氣動(dòng)作防止設(shè)備上次停機(jī)后未排空設(shè)備氣路，然后開啟聯(lián)控，在啟動(dòng)空壓機(jī)后，查看人機(jī)界面是否有保養(yǎng)提示，觀察設(shè)備各項(xiàng)監(jiān)測數(shù)據(jù)是否正常顯示，尤其是空壓機(jī)各運(yùn)行數(shù)據(jù)是否傳輸正常，留意自動(dòng)排污是否定時(shí)開啟，重點(diǎn)關(guān)注是否有溫度報(bào)警提示，以及確定制氮純度達(dá)到設(shè)定值后是否切換管路注氮。

圖1 自動(dòng)控制系統(tǒng)流程圖

根據(jù)自動(dòng)控制系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的監(jiān)測和控制功能選定系統(tǒng)硬件，選用SIMATIC S7-200 SMART 系列PLC為控制核心，模擬量擴(kuò)展模塊選用EM AE04 型號，它具有4 路模擬量的輸入接點(diǎn)，可以滿足本控制系統(tǒng)所需要的4 路模擬量監(jiān)測要求；信號擴(kuò)展板選用SB CM01，其專門用作與空壓機(jī)實(shí)現(xiàn)Modbus RTU 通訊的通信接口。通過控制流程的梳理完成最終的控制電路，如圖2 所示。

圖2 自動(dòng)控制系統(tǒng)電路圖

3 PLC 監(jiān)控程序設(shè)計(jì)

（1）模擬量程序。本控制系統(tǒng)中，現(xiàn)場儀表將采集到的溫度、壓力、濃度、流量等輸入量通過安全柵和信號隔離器處理后全部轉(zhuǎn)化為4 ～20mA 的標(biāo)準(zhǔn)量程電流信號，再經(jīng)過PLC 的A/D 模塊將上述模擬量信號轉(zhuǎn)化為PLC 可以處理的數(shù)字量，由PLC 錄入在特定地址。模擬量信號的轉(zhuǎn)換過程：物理量—傳感器信號—標(biāo)準(zhǔn)電流信號—A/D 轉(zhuǎn)換—數(shù)值顯示。

現(xiàn)場模擬量數(shù)值輸入后可以轉(zhuǎn)換為方便查看的工程量數(shù)值，轉(zhuǎn)換公式如下：

式中，X為模擬量當(dāng)前值；mB為工程量上限值；oB為工程量下限值；nA為模擬量上限值；oA為模擬量下限值；Y為工程量當(dāng)前值。

根據(jù)此模擬量輸入轉(zhuǎn)換公式，就可以在編程軟件中編寫程序。

（2）周期保養(yǎng)程序。根據(jù)過濾器濾芯在煤礦井下的平均使用壽命，將膜制氮裝置的周期保養(yǎng)時(shí)間設(shè)定為3000 小時(shí)，并設(shè)置報(bào)警及復(fù)位點(diǎn)。

（3）空壓機(jī)聯(lián)動(dòng)控制程序。本控制系統(tǒng)中空壓機(jī)的聯(lián)動(dòng)控制和壓縮氣體主要參數(shù)監(jiān)測，是利用主從站PLC 之間Modbus 通信實(shí)現(xiàn)的。STEP7-Micro/WIN SMART 編程軟件集成的Siemens Modbus 庫中包含專為Modbus RTU 通信設(shè)計(jì)的預(yù)組態(tài)子例程和中斷例程，這使得與Modbus RTU 主站和從站設(shè)備的通信更加的簡便。以Modbus 主站指令組態(tài)S7-200 SMART，使其作為Modbus RTU 主站設(shè)備運(yùn)行，以空壓機(jī)PLC 控制器作為從站，根據(jù)空壓機(jī)廠家提供的控制點(diǎn)表編寫控制程序。

4 控制系統(tǒng)的監(jiān)控組態(tài)

由于本控制系統(tǒng)中需要監(jiān)視的參數(shù)個(gè)數(shù)和控制開關(guān)量并不多，考慮到價(jià)格因素，人機(jī)界面選取入門級別即可。本次選取的工業(yè)觸摸屏是威綸通人機(jī)界面TK6071iQ，它除了能完美兼容西門子S7-200 SMART 外，還具有以下優(yōu)點(diǎn)：寬輸入電壓范圍10.5 ～28VDC；無風(fēng)扇冷卻系統(tǒng)，無噪音；內(nèi)建儲(chǔ)存內(nèi)存及萬年歷；面板防護(hù)等級為IP65；內(nèi)置電源隔離保護(hù)；集成了USB Host 接口，不僅可通過它上傳和下載程序，還可以外接鍵盤、鼠標(biāo)等USB 外設(shè)；產(chǎn)品質(zhì)量可靠，售后服務(wù)優(yōu)越。

使用的組態(tài)軟件為威綸通公司為人機(jī)界面配套開發(fā)的EasyBuilder Pro。在硬件組態(tài)完成后，為保證監(jiān)測數(shù)據(jù)地址和控制點(diǎn)位與相應(yīng)圖素對應(yīng)的準(zhǔn)確性，對地址標(biāo)簽進(jìn)行預(yù)設(shè)置，如圖3 所示。在地址標(biāo)簽設(shè)置完成之后，只需要在監(jiān)控畫面中將圖素與預(yù)設(shè)置地址或點(diǎn)位關(guān)聯(lián)即可，組態(tài)完成的監(jiān)控界面見圖4。需要注意的是，本次研究的膜制氮裝置為煤礦井下設(shè)備，需要將人機(jī)界面安裝于隔爆型控制箱內(nèi)部，并且由于控制箱在井下運(yùn)行期間嚴(yán)禁帶電開蓋，因此，監(jiān)控組態(tài)界面的主界面應(yīng)直接設(shè)置為運(yùn)行界面。

圖3 地址標(biāo)簽預(yù)設(shè)置

圖4 監(jiān)控組態(tài)主運(yùn)行界面

其中，“保養(yǎng)操作”與“事件登陸”分別作為主界面進(jìn)入輔助界面的切換窗口按鈕，執(zhí)行保養(yǎng)后的復(fù)位操作和記錄報(bào)警事件。

5 結(jié)語

本次制氮裝置自動(dòng)控制研究首先分析了需要監(jiān)測的裝置各運(yùn)行參數(shù)及需要實(shí)現(xiàn)的具體控制需求，明確了需要監(jiān)測的模擬量個(gè)數(shù)，輸入、輸出數(shù)字量個(gè)數(shù)，以及需要實(shí)現(xiàn)的通信功能。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了自動(dòng)控制的控制流程梳理，完成了控制系統(tǒng)硬件的選型。在PLC 和人機(jī)界面型號確定后，依據(jù)控制系統(tǒng)流程完成PLC 程序設(shè)計(jì)，最后通過組態(tài)軟件完成人機(jī)界面的監(jiān)控組態(tài)。試驗(yàn)結(jié)果表明，自動(dòng)控制系統(tǒng)控制邏輯清晰無報(bào)錯(cuò)，制氮裝置整機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，開機(jī)運(yùn)行15 分鐘內(nèi)產(chǎn)出合格純度的穩(wěn)定流量氮?dú)狻?/p>